Benutzer:Suvroc/rheologisches

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Verluste und Kühlung

Wie in jedem Transformator#RealerTransformator#realem Transformator entstehen im Leistungstransformator Energieverluste, die in Wärme umgewandelt werden. Diese werden unterteilt in

1. Leerlaufverluste: Die Verluste, die bei primärseitig angelegter Nennspannung und sekundärseitigem Leerlauf entstehen.
2. Kurzschlussverluste: Die Verluste, die bei sekundärseitigem Kurzschluss und primärseitig eingespeisten Bemessungsstrom enstehen (Kurzschlussversuch).

Die Leerlaufverluste werden vor allem durch die Eisenverluste bedingt und sind unabhängig vom Lastzustand. Die Kurzschlussverluste werden durch die Kupfeverluste bestimmt und sind abhängig vom Strom, der durch die Wicklungen fließt, und damit vom Lastzustand.

Die Verlustwärme führt zu einer Betriebstemperatur der Wicklungen von in der Regel über 100 °C.

Elektrisches Feld bei Materialien mit unterschiedlicher Permittivität

Werden zwei Materialien mit unterschiedlichen Permittivitätszahlen $\varepsilon _{r1}$ und $\varepsilon _{r2}$ von einem elektrischen Feld erfüllt, so stellen sich in den Materialien unterschiedliche elektrische Feldstärken ein.

Wegen des gaußschen Gesetzes müssen die Normalkomponenten der Verschiebung $D_{n1}$ und $D_{n2}$ an der Grenzfläche der Medien gleich sein:

$D_{n1}=D_{n2}\Longleftrightarrow {\frac {E_{n1}}{E_{n2}}}={\frac {\varepsilon _{r2}}{\varepsilon _{r1}}}$

Aufgrund der Rotationsfreiheit der elektrischen Feldstärke müssen deren Tangentialkomponenten $E_{t1}$ und $E_{t2}$ gleich groß sein:

$E_{t1}=E_{t2}\Longleftrightarrow {\frac {D_{t1}}{D_{t2}}}={\frac {\varepsilon _{r1}}{\varepsilon _{r2}}}$

Die Feldlinen werden also an der Grenzfläche gebrochen.

Messtechnische Bestimmung und Anwendung

Die empirische Cox-Merz-Regel besagt, dass der Betrag der komplexen Viskosität dann mit der scheinbaren Viskosität us dem stationären Rotationsversuch vergleichbar ist

Ein Rheometer bestimmt die rheologischen Eigenschaften wie die Viskosität einer Probe, indem das Material zwischen zwei Platten oder einer Platte und einem Kegel geschert wird und dabei die Schubsspannung und die Deformation gemessen wird. Setzt man die Probe einer oszillierenden Deformation aus, lassen sich komplexer Schubmodul und die daraus abgeleiteten Größen aus dem Phasenwinkel $\varphi$ ermitteln. Während der Messung wird üblicherweise entweder die Amplitude oder die Frequenz variiert (Amplituden- oder Frequenzsweep).

Der Amplitudensweep dient der Bestimmung des linear-viskoelastischen Bereiches, in dem Schubmodul $G$ und Viskosität $\eta$ Konstanten darstellen. Dazu wird die Scheramplitude ${\hat {\gamma }}$ bei konstanter Kreisfrequenz $\omega$ allmählich erhöht. Solange $G$ und $\eta$ konstant bleiben, bleiben auch die Moduln $G'$ und $G''$ konstant. Erst wenn die Scheramplitude bzw. die davon abhängige Schergeschwindigkeit so groß wird, dass sich $G$ und $\eta$ ändern, so ändern sich auch die Moduln. Die so bestimmte maximale Scheramplitude ${\hat {\gamma }}_{max}$ stellt die Grenze des linear-viskoelastischen Bereiches dar, innerhalb dem Oszillationsmessungen überhaupt sinnvoll sind. Der Amplitudentest ist damit in erster Linie ein Vorversuch für andere Messungen. Mit ihm kann aber auch eine Fließgrenze bestimmt werden: Ebenfalls dann wenn sich Speicher- oder Verlustmodul zu verändern beginnen, hat die Schubspannungsamplitude die Fließgrenze erreicht.

Messtechnische Bestimmung

Um ein Material einem Modellkörper zuzuordnen und dessen Parameter zu bestimmen, muss der Zusammenhang zwischen Deformation, Deformationsgeschwindigkeit und Spannung experimentell ermittelt werden. Dabei sind folgende Versuche möglich:

• stationäre Deformation: Die Probe wird mit konstanter Geschwindigkeit deformiert und die Spannung gemessen, was nur bei Flüssigkeiten möglich ist.
• Relaxationsversuch: Die Probe wird schlagartig um ein bestimmtes Mass deformiert und dann

Dies kann für Feststoffe mit dem Zug- oder Druckversuch erfolgen. Die Deformation erfolgt hierbei als Dehnung bzw. Stauchung. Ein Rheometer deformiert die Probe in Scherung oder Torsion und ermöglicht darüber hinaus meist auch eine oszillierende Beanspruchung. Es gibt aber auch Dehnrheometer mit denen Fluide auf Dehnung beansprucht werden können. Die Dynamisch-mechanische Analyse erlaubt es, eine oszillierende Dehnung und Stauchung auf Feststoffe aufzubringen.

Core-Shell-Partikel

Aufbau eines Core-Shell-Partikels

Core-Shell-Partikel (dt.: Kern-Schale-Partikel) sind künstlich hergestellte Nanoteilchen, die aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen. Die eine Komponente (shell) umschließt dabei vollständig die andere (core). Dadurch lassen sich die Eigenschaften beider Materialien kombinieren: Das Core-Material bekommt die Oberflächeneigenschaften des Shell-Materials. Metalle, Halbleiter und organische Stoffe dienen als Core- bzw. Shell-Materialien, was vielfältige Anwendungsmöglichkeiten erlaubt.

Anwendungen

Ein Einsatzbereich ist die Verwendung als Additiv zur Erhöhung der Zähigkeit in Polymerwerkstoffen wie Gießharzen, Klebstoffen und Lacken. Im Polymer fein verteilte, elastische Materialien bewirken eine derartige Zähmodifizierung. Dabei dissipiert das weiche Material die Energie, die bei der Rissausbreitung frei wird, und stoppt so einen Mikroriss. Ein Problem dabei ist die Grenzfläche zwischen dem weichen Material und der umgebenden Polymermatrix. Viele Kunststoffe verbinden sich nur schlecht mit den zur Zähmodifizierung eingesetzten Elastomeren wie beispielsweise Silikon, was deren Wirksamkeit herabsetzt. Dieser Konflikt kann mit einem Core-Shell-Partikel gelöst werden: Eine Schale aus Copolymer umgibt einen Kern aus weichem Elastomer. Die Hülle gewährleistet dabei die Anbindung des Elastomeres an die umgebende Matrix.

Die Core-Oberfläche kann neben dieser Wirkungsweise als Haftvermittler auch andere Fuktionen wie den Schutz hygroskopischer Kernmaterialien vor Luftfeuchtigkeit oder vor reaktiven Substanzen, Stabilisierung oder elektrische Leitfähigkeit erfüllen.

Die Empfindlichkeit von Sprengstoffen kann ebenfalls mit einer Core-Shell-Struktur herabgesetzt werden.

Ein weites Anwendungsfeld für Core-Shell-Partikel findet sich auch in der Biotechnologie. Dort wird eine biokompatible Hülle um ein Material, das sonst nicht mit dem jeweiligen Organismus verträglich wäre, gelegt. Die Hülle ist so beschaffen

Herstellung

Zum einen ist es möglich, zuerst den Kern als „gewöhnliches“ Nanoteilchen herzustellen und dann anschließend z. B. im Wirbelschichtverfahren zu beschichten.

Laufruhe

Die Laufruhe bezeichnet den gleichmäßigen und vibrationsarmen Betrieb einer Maschine oder ähnlichem. Ein unruhiger Lauf kann beispielsweise durch Unwuchten, Spiel, Verschleiß oder prinzipbedingt auftreten. Die sich auch auf die Umgebung übertragenden Schwingungen können zu Geräuschentwicklung, erhöhtem Verschleiß und eingeschränkter Funktionalität der Maschine führen.